分析多层钢结构检测与加固设计

摘 要:本文结合工程案例，对该楼房进行质量及安全检测鉴定，并根据检测结果及现行规范对该钢结构进行了加固设计与施工。

关键词：钢结构检测；加固设计；多层钢结构

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

某大型商场内中庭加建的钢框架结构，总建筑面积约11 652m2，地下1 层，地上6层，各层层高为: 负1 层4. 20m，1 层6. 00m，2 ～ 4 层4. 80m，5 层4. 2m，6 层4. 3m，为上人屋面。结构平面形状为L 形，1～ 6 层承重框架柱为箱形钢柱，负1层为型钢混凝土柱，主要为H 型钢梁，楼板为楼承板，基础为桩基础。原结构标准层平面如图1 所示。

2 原钢结构质量安全检测鉴定

结合现场实际情况及相关现场检测技术标准制定了相应的质量检测方案，通过对结构外观、焊缝、连接质量、材料质量、结构安装偏差及变形等方面的检测，得出以下结论。

2. 1 尺寸量测

各楼层层高及钢结构轴线尺寸、构件详细尺寸与原设计基本一致，符合原设计要求。

2. 2 钢结构外观质量

(1) 钢材的表面未发现有明显的裂纹、锈蚀、麻点或划伤等质量缺陷，基本符合设计要求。

图1 原结构标准层平面图

(2) 焊缝外观质量较差。框架梁之间刚接节点翼缘的焊接不符合原设计翼缘为全熔透坡口焊接的设计要求; 在2 层及5 层钢柱对接焊缝的表面上可清晰地发现表面气孔、表面夹渣、未焊满、咬边、接头不良等现象，外观质量不符合设计及规范的要求。

(3) 高强度螺栓连接外观质量合格，基本满足设计及规范要求。

(4) 涂层表面未发现明显的漏涂，表面未发现明显的脱皮、泛锈、龟裂和起泡等缺陷，防火涂层的厚度不足，不满足设计及规范要求。

2. 3 焊缝质量

钢柱对接焊缝不符合设计要求及《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205—2001 ) 的要求; 焊缝内部缺陷超声波探伤评定等级为Ⅳ级，不符合《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB 11345—89) 标准Ⅰ级焊缝质量要求，不符合设计要求。

2. 4 结构连接质量

各层钢结构框架梁之间的连接基本未按原设计要求对翼缘进行焊接; 框架梁与次梁之间刚性连接节点(图1) 未按原设计要求安装及焊接，翼缘之间未焊接，加劲肋未抵至次梁下翼缘; 钢柱对接连接焊缝质量不合格，即钢结构主要结构构件的连接不符合设计要求。

2. 5 结构变形

钢结构各层框架钢梁、钢柱均出现较严重的因安装施工不当引起的变形及接口错位等现象，施工偏差明显超过规范允许值，大部分钢柱有明显的垂直度偏差，不符合原设计及规范要求。

2. 6 原材抽检结果

经现场抽取原材送检，根据检验报告，原材质量检验结果为合格，符合设计及规范要求。

2. 7 小结

鉴于以上几点检测结果，综合评定该钢结构主体施工质量不合格，整体结构安装有严重偏差，不符合设计及验收规范要求，存在严重的安全隐患，须进行加固设计与施工。

3 加固设计

根据检测结论及分析结果，通过对加固方案的适用性、可靠性、可操作性、施工周期和经济性等多方面的综合考量，确定针对钢结构框架梁、柱及相关连接节点的最优加固方案。

3. 1 框架钢柱、钢梁加固设计

由钢结构体系特点可知，不宜在结构构件服役受力状态下进行大量焊接处理，而且采用焊接加固方法仍无法纠正原结构的安装施工偏差等问题。考虑到商场空间较大，经综合分析采用外包钢筋混凝土法对钢框架梁、柱进行加固处理，在避免对原结构大量焊接的同时，混凝土层亦可兼作防火层，具有节省工期、坚实可靠等特点。

(1) 钢柱的加固设计

各层框架钢柱存在垂直度偏差及驳接位施工质量不合格等问题，加固处理后，可有效提高框架柱承载能力及刚度，同时通过外包混凝土层恢复框架柱垂直度。以轴/柱为例详细介绍加固设计方法。建筑物耐火等级为一级，钢柱耐火极限为3h，根据相关防火规范，钢柱以混凝土作保护层其厚度不小于12cm。现取150mm 作为外包混凝土层厚度，满足防火保护层厚度要求，增加的主筋及箍筋形式见图2。其中2 层、5 层为钢柱驳接节点层，因检测结果不合格必须先进行局部加固处理，因此先在柱驳接位置采用四围加焊钢板的方法局部加固。

图2 钢柱加固截面图

计算加固柱结构时，原钢柱不考虑同时参与计算，即假设原钢柱失效，柱按混凝土箱形截面等效为惯性矩和面积都相等的工字形截面计算强度及配筋。计算得出各内力参数如表1 所示。

加固后框架柱有了较大的安全储备，能确保结构各项指标达到规范要求，柱的稳定性及刚度得到了有效提高。使用该方法加固达到了安全要求，且施工相对较简单快捷。

1 层轴/柱加固内力参数表1

(2) 钢梁的加固设计

对框架钢梁加固时应充分利用原钢梁，构成完整的钢骨混凝土结构，但实际上钢梁对接点翼缘未做焊接连接，不能保证完整有效地传递弯矩、剪力等，需弥补此缺陷。经综合分析，采取在缺陷部位增加过渡筋及局部箍筋加密的方法解决该问题，避免焊接作业。按SATWE 模拟计算结果配置型钢混凝土框梁及悬挑梁跨内主筋及箍筋，再浇筑混凝土，外包混凝土厚度梁底增加50mm、梁侧每侧增加80mm。对于上下翼缘过渡筋的配置，则不考虑型钢作用，按钢筋混凝土框架梁SATWE 模拟计算结果进行配置，其锚固搭接长度按规范，保证该加固方案的经济可靠。

框架梁柱的加固施工作业应按由下往上即从1～ 6 层逐层进行，若需整体施工，则需有足够的施工安全措施及更为可靠的监测措施，同时应注意以下几点:

(1) 首层柱加固纵筋需按规范要求植筋植入下层混凝土柱顶; 钢柱驳接处的局部加固焊接不应整体同时施工。

(2) 梁加固过渡钢筋采取点焊方式固定于原钢梁上; 主钢筋遇主次梁节点时应开孔穿过次梁节点板; 梁加固混凝土浇筑时局部开凿楼板，但开凿原楼板应跳开分段进行。

3. 2 部分钢梁节点加固措施

(1) 主次梁刚性连接节点部位采用补焊方式进行加固处理。施工时应尽量减少该项焊接对整体结构安全的影响，调整好该项施工顺序。补焊时要求对原梁底作临时支顶，卸荷情况下施焊，上翼缘施焊需局部开凿楼板。

(2) 位于轴/ (2/A) 柱附近的悬挑部位，其悬挑跨度相对较大(约4.8m) ，因此该部位额外增加钢牛腿进行加固处理，同时应使加劲肋抵至下翼缘。

4 结论

(1) 在钢结构的检测中，综合现场实际情况，应保证基本项目检查落实，检测结果能全面反映出结构现状，是否符合设计及规范要求、是否安全可靠。

(2) 针对检测结论所反映出的结构问题，根据已建成钢结构的特点，综合考虑结构性能及功能要求，通过对加固方案适用性、可靠性、施工周期等多方面的综合考量，确定有针对性的最优加固方案。

(3) 无空间限制情况下采用外包钢筋混凝土的方法加固钢框架梁柱，可系统解决钢结构施工不合格、安装偏差及防火等问题，且能快速施工，有效缩短施工周期; 此外又能全面提高结构各项性能，保证结构更为安全可靠。本工程如期完成了施工工作，证明了该施工方法适用可行，为业主争取了宝贵时间，起到了良好的效果并取得了较好的经济效益。

(4) 考虑加固后结构自重的增加，因此有必要对原基础承载能力进行评估。对原承载能力不足的桩基础采用新增锚筋承台静压桩法进行补强，增加了原基础承载能力。该方法施工轻便快捷、影响面小、效果明显。

(5) 该加固工程竣工后，通过对结构进行静载试验及系统的质量检查，认为加固后结构能满足正常使用荷载要求，整体结构未发现异常现象，说明该钢结构的综合加固方案是成功的。